SolidWorks在機械設計課程設計教學中的應用

任云， 李偉

（海軍航空工程學院飛行器工程系，山東煙臺264001）

0 引言

機械設計課程設計是機械類專業課程教學體系中一個重要的實踐環節，它是學生首次綜合運用所學的工程制圖、工程力學、機械設計、互換性與測量技術等理論知識來解決工程實際問題的實踐訓練［1-2］。該實踐課程是對學生的機械設計實做技能和創新能力的一次全面訓練［3］，對其進行后續專業課程的學習起著很好的傳承作用，甚至對學生進行畢業設計乃至走上工作崗位都有著重要的影響。

在當今時代，隨著計算機技術的迅速發展，各種與計算機結合的三維參數化設計技術在工程實際中的應用也日益顯著，可以說已成為現代產品設計與制造的主流技術手段。為適應企業對設計與制造類人才需求的發展，使學生具備一定的三維設計技能是很有必要的，因而在本課程的教學中，引入了功能強大、易學易用的SolidWorks三維參數化設計軟件。結合SolidWorks軟件虛擬設計的優勢，開展機械設計課程設計的教學探討。

1 機械設計課程設計的現狀分析

機械設計課程設計，是培養學生一般機械設計能力的實踐環節［4］。設置課程設計的教學目的，就是要讓學生能夠借助所學知識，設計出一套涵蓋常用傳動、聯接和通用零部件，且性能優良的簡單機械，以鍛煉其機械設計和實際應用的能力。目前，多數院校的課程設計題目是圍繞齒輪減速器展開的輸送裝置設計，設計中往往是設定好傳動方案和相應的傳動參數與工況條件，學生只需按部就班地去實施減速器主要傳動、聯接和零部件的設計計算，再畫出裝配圖和零件圖，最后完成設計計算說明書［5-6］。這種做法不僅限制了學生的創新思維，約束了其獨立思考和解決實際工程問題的能力，也不利于對機械系統整體概念的理解和構建。而且，大都采用二維CAD軟件進行設計和繪圖，由于學生缺乏機械設計實戰經驗，需要對設計過程進行反復地校核和修正。這勢必會使得學生感到枯燥乏味，且困難重重，甚至對課程設計失去了信心和興趣，最后導致了隨便做做或抄襲別人的現象，完全違背了實踐課程的教學目的。

2 Solid Works在機械設計課程設計教學中的應用

根據課程的教學安排，學生一般須在兩周或40學時內完成傳動方案的確定、總體傳動參數的計算和確定、零部件的設計、工程圖的繪制、設計說明書的編寫等多項任務。時間緊迫，加之缺乏設計經驗，勢必導致學生在設計中出現反復修正、重零件輕總體、最終裝配干涉等現象。鑒于此，在教學中，引入三維參數化設計軟件SolidWorks，實現零件的動態設計與校核、裝配體的動態干涉檢查以及二維圖紙的自動生成和輸出。

SolidWorks軟件具有界面友好、功能強大、操作靈活、易學易用等優點。其在復雜產品外觀設計、曲面建模、裝配體干涉檢查、二維輸出、動畫仿真、有限元建模分析計算等各方面都具備良好的性能，是二維CAD繪圖軟件難以實現的。

基于三維參數化設計的SolidWorks軟件采用全相關技術，并在設計思路上支持自下而上和自上而下的設計方式［7］。在零件的設計階段時，學生可以充分利用SolidWorks軟件三維參數化動態設計的優勢，實現邊設計、邊畫圖、邊校核的“三邊”設計。如需修改結構尺寸，可直接在三維模型中進行動態修改，軟件即可自動生成與修改尺寸相匹配的新模型，無需像在二維繪圖中那樣逐一地檢查和修改。這樣，不僅大大減少了學生反復修正和校核的工作量，提高了設計效率，也激發了學生學習的興趣和樂趣。

2.1 引入SolidWorks，實現零件的“三邊”設計

在設計零件時，學生可以充分利用SolidWorks軟件三維參數化動態設計的優勢，實現邊設計、邊畫圖、邊校核的“三邊”設計。學生首先根據所學設計理論完成零件的初步設計，然后利用SolidWorks軟件直接繪出零件的三維模型，最后對于需要校核機械性能的零件可以利用手動理論校核和SolidWorks Simulation功能模塊進行雙重校核和驗證。如果零件的機械性能不滿足要求，需修改零件的結構尺寸，可以直接在先前的三維模型中進行動態尺寸修改，軟件即可自動生成與修改尺寸相匹配的新模型。

2.2 引入SolidWorks，實現虛擬裝配和干涉檢查

利用SolidWorks軟件進行建模和裝配是比較靈活和人性化的，可以從兩種思路進行。第一種思路是遵循大多數三維設計軟件的操作模式，首先建立起所有零件的模型，之后利用SolidWorks的虛擬裝配功能將各零件模型導入裝配體中，根據各零件間的約束關系建立起裝配體模型，最后在虛擬裝配體中檢查零件的干涉情況并校正。此思路注重“先零件，后裝配”的思想，順序清晰、不易遺漏，但最后進行干涉檢查，如若存在干涉，調整工作量顯得龐大。對于基礎相對較弱，各零部件和裝配關系分析不是太透徹的學生建議考慮此種思路。第二種思路是零件模型和裝配體模型同時構建，首先確定出裝配體的大致外形和其關鍵零件，初步設計出組成裝配箱體的基體零件（如減速器的箱座和箱蓋）和關鍵零件（如減速器中的軸、齒輪等）；再運用SolidWorks的虛擬裝配功能把這些零件裝配起來，大致確定零部件間的相互關系和相對位置；然后再在零件模型圖中完成各種零件的具體結構設計和繪制，利用SolidWorks軟件的全相關技術，修改后的零件模型會自動導入裝配體中，在裝配體中可以實時通過干涉檢查以確認各零件是否存在干涉現象。此思路注重“先整體，后個體”的思想，干涉檢查是實時動態的，直觀準確且不易出錯，但需處理好個體和整體之間的關聯關系，以免遺漏。對于基礎相對較好，各零部件和裝配關系分析透徹的學生建議考慮此種思路。

2.3 三維向二維的自動轉化

在各零件和裝配體的三維模型完成之后，對于需要輸出二維圖紙的零部件和裝配體，可以直接利用SolidWorks軟件三維轉二維的圖紙輸出功能，根據三維模型自動生成滿足設計需求的工程圖，并能根據設置滿足國標或企標的要求。前面提到SolidWorks軟件采用全相關技術，如需修改零件的某些參數，只要對三維模型進行修改，其二維圖紙將自動關聯修改。在完成三維模型建立的同時，即為二維圖紙的建立打下了基礎。對于初次進行全面設計訓練的學生來說，這樣的設計思路和理念會顯得更加人性化，不僅大大降低了繪制和校驗二維圖紙的難度，也可盡量避免容易疏漏的問題。

3 結語

機械設計課程設計是機械類專業重要的實踐教學環節之一，對培養學生分析和解決工程實際問題的能力起著十分重要的作用。本文將SolidWorks三維參數化設計軟件與設計實踐相結合，大大改善了課程設計枯燥乏味的局面，不僅激發了學生學習的興趣和熱情，而且提高了學生的設計實踐能力與創新能力，為其日后能順利從事機械設計與產品研發工作打下良好的基礎。

［1］ 李學藝，丁淑輝，魏軍英.機械設計課程設計教學研究［J］.教育教學論壇，2014（41）∶178-180.

［2］楊麗紅，甘屹，徐名聰.“機械結構設計”課程的教學實踐［J］.上海理工大學學報：社會科學版，2012，34（2）∶165-168.

［3］梁永政，段非.《機械設計課程設計》教學改革探討［J］.裝備制造技術，2012（10）∶200-201，230.

［4］劉建華，龐姍.《機械設計課程設計》改革的探索與實踐［J］.湖南農機，2011（9）∶170-171.

［5］莫海軍，黃華梁，徐忠陽.《機械設計課程設計》教學方法改革與探索［J］.裝備制造技術，2009（7）∶188-190.

［6］ 張中利，黨玉功.CAD/CAE在機械設計課程設計教學改革中的應用［J］.中國電力教育，2012（4）∶84-85.

［7］ 王敏，王宏.SolidWorks機械設計完全自學手冊［M］.北京：機械工業出版社，2012.